跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】的微波源器件，提供一種跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，包括陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、慢波結(jié)構(gòu)、內(nèi)導(dǎo)體、收集極、微波輸出口、螺線管磁場，所述內(nèi)導(dǎo)體是一個圓柱體，通過調(diào)節(jié)其長度，可以調(diào)節(jié)輸出微波的頻率，實現(xiàn)跨波段微波輸出。收集極設(shè)有環(huán)形凹槽，通過支撐桿固定在陽極外筒上。本發(fā)明取得的有益效果是：通過調(diào)節(jié)內(nèi)導(dǎo)體長度，實現(xiàn)頻率在L、S波段之間跳變，調(diào)節(jié)方式簡單，在波段內(nèi)頻率可調(diào)，實現(xiàn)在L波段頻率調(diào)節(jié)帶寬約7%，在S波段頻率調(diào)節(jié)帶寬約2%；慢波葉片外半徑可以取值較小，實現(xiàn)小型化；收集極左端留有凹槽結(jié)構(gòu)，能夠增加器件末端反射，有利于實現(xiàn)微波的長脈沖輸出。
【專利說明】跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率微波【技術(shù)領(lǐng)域】的微波源器件，尤其是一種跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器(Relativistic Backward-ffave Oscillator,簡稱為 RBW0)。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率微波通常是指微波脈沖峰值功率大于100MW，頻率在IGHz到300GHz之間的電磁波。從20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)第一臺高功率微波源以來，由于其在民用和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用需求，高功率微波源技術(shù)得到了迅速發(fā)展。
[0003]頻率可調(diào)諧是高功率微波源的重要發(fā)展方向之一，在工業(yè)和國防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。高功率微波源的頻率調(diào)諧方式主要包括電調(diào)諧、機(jī)械調(diào)諧兩種方式。電調(diào)諧指通過改變外加電壓、導(dǎo)引磁場的大小實現(xiàn)工作頻率調(diào)諧，機(jī)械調(diào)諧指通過改變器件電動力學(xué)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)工作頻率調(diào)諧。電調(diào)諧方式在磁控管、回旋管等器件中應(yīng)用較多，而機(jī)械調(diào)諧方式在RBWO中應(yīng)用較多。RBWO是一種基于切倫科夫輻射機(jī)制且發(fā)展較為成熟的高功率微波源，其利用強(qiáng)流相對論電子束與慢波結(jié)構(gòu)中的返向空間諧波相互作用，產(chǎn)生自激振蕩，形成相干微波輻射，具有高功率、高效率以及適合重頻運行等特點，受到了各國學(xué)者的廣泛重視。
[0004]在頻率調(diào)諧RBWO研究方面，主要有美國、俄羅斯和中國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了機(jī)械調(diào)頻方面的工作。
[0005]1997年，美國新墨西哥州大學(xué)的Edl Schamiloglu等人研制了一種X波段機(jī)械調(diào)頻 RBWO [E.Schamiloglu, C.T.Abdallah, G.T.Park, and V.S.Souvalian.1mplementation of a Frequency-agile, High Power Backward Wave 0sillator[C].Proc.1EEE, 1997:742.]0 (下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)I)。為了敘述的方便，將沿軸線方向上靠近陰極座的一側(cè)稱為左端，遠(yuǎn)離陰極座的一側(cè)稱為右端。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、漂移段、慢波結(jié)構(gòu)、反射段、微波輸出口、螺線管磁場組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個薄壁圓筒，圓筒壁的厚度僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 > %。截止頸與慢波結(jié)構(gòu)之間是漂移段，是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)由九個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)八個慢波葉片完全相同，左側(cè)慢波葉片的最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5與右側(cè)慢波葉片的最小內(nèi)半徑R8滿足R4 > R8 > R5。九個慢波葉片的長度相同，均為L1，為工作波長λ的二分之一左右。反射段介于慢波結(jié)構(gòu)與微波輸出口之間，是一個半徑為R4、長度為L3的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L3可以調(diào)節(jié)頻率。微波輸出口是一個圓臺形結(jié)構(gòu)，圓臺左端面半徑為R4，右端面半徑為R6。截止頸和慢波結(jié)構(gòu)從陽極外筒的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒并固定。實驗中，通過調(diào)節(jié)截止頸到慢波結(jié)構(gòu)的距離、慢波結(jié)構(gòu)到反射環(huán)的距離，得到了半功率點處頻率調(diào)諧帶寬約5%、中心頻率9.5GHz的結(jié)果。該方案通過同時調(diào)節(jié)漂移段的長度L2、反射段的長度L3實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍較窄。同時，采用了九個慢波葉片，導(dǎo)致軸向長度過長，不利于器件的小型化。
[0006]2008年，俄羅斯大電流研究所的Evgeny等人研制了一種S波段機(jī)械調(diào)頻RBWO【Evgeny M.Totj meninov, Alexey 1.Klimov, et al.Repetitively Pulsed RelativisticBffO With Enhanced Mechanical Frequency TunabiIity[J].1EEE Trans.PlasmaSc1.2008, 36(5):2609.】。(下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)2)。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、前置反射腔、漂移段、慢波結(jié)構(gòu)、微波輸出口、螺線管磁場組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑,套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2,R2 > I。前置反射腔呈圓盤狀，內(nèi)半徑等于截止頸內(nèi)半徑R2,外半徑R7滿足R7 > R2。漂移段是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)由八個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)三個慢波葉片完全相同，右側(cè)五個慢波葉片完全相同，左側(cè)慢波葉片的最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5與右側(cè)慢波葉片的最大外半徑R8、最小內(nèi)半徑R9滿足R8 > R4，R9 > R5。八個慢波葉片的長度相同，均為L1，為工作波長λ的二分之一左右。截止頸、前置反射腔、漂移段和慢波結(jié)構(gòu)從陽極外筒的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒并固定。慢波結(jié)構(gòu)右端與陽極外筒之間的圓環(huán)空間為微波輸出口。實驗中，通過調(diào)節(jié)反射腔至慢波結(jié)構(gòu)距離的方式實現(xiàn)RBWO的頻率調(diào)諧。在外加電壓1MV、束流IOkA的條件下，獲得了半功率點處調(diào)諧帶寬約9%、中心頻率
3.6GHz、微波功率2.5±0.6GW、效率20±4%的結(jié)果。該方案通過調(diào)節(jié)漂移段的長度L2實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，慢波結(jié)構(gòu)隨之前后移動，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍較窄。同時，采用了八個慢波葉片，導(dǎo)致軸向長度過長，不利于器件的小型化。
[0007]2011年，西北核技術(shù)研究所的宋瑋等人研究了 RBWO的雙機(jī)械調(diào)諧法【W(wǎng)eiSong, Xiaowei Zhang, Changhua Chen, et al.Enhancing Frequency Tuning Ability ofan Improved Relativistic Backward Wave Oscillator[J].Proc.0f the Asia-PacificMicrowave Conference2011:283.】。(下文簡稱為現(xiàn)有技術(shù)3)。該結(jié)構(gòu)由陰極座、陰極、陽極外筒、截止頸、前置反射腔、漂移段、慢波結(jié)構(gòu)、微波輸出口、螺線管磁場、提取腔組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。陰極座左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座右端。截止頸呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 > I。前置反射腔呈圓盤狀，內(nèi)半徑等于截止頸內(nèi)半徑R2，外半徑R7滿足R7 > R2。漂移段是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)5由六個相同的慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5，長度SL1，為工作波長λ的二分之一左右。提取腔介于慢波結(jié)構(gòu)與微波輸出口之間，是一個半徑為R12、長度為L4的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L4可以調(diào)節(jié)頻率。提取腔右端與陽極外筒之間的圓環(huán)空間為微波輸出口。截止頸、前置反射腔、漂移段和慢波結(jié)構(gòu)從陽極外筒的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒并固定。數(shù)值仿真中，通過改變反射腔至慢波結(jié)構(gòu)的距離、調(diào)整提取腔的寬度，得到了調(diào)諧帶寬約8%、中心頻率9.6GHz、功率效率約33%的結(jié)果。該方案通過同時調(diào)節(jié)漂移段的長度L2、提取腔的長度L4實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍較窄。
[0008]分析上述研究現(xiàn)狀不難看出，頻率調(diào)諧RBWO取得了較大進(jìn)展，但存在以下不足:調(diào)諧方式復(fù)雜，通常需要對兩種以上結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合調(diào)節(jié)；調(diào)諧帶寬較窄，調(diào)諧帶寬通常小于10%。因此，采用新的設(shè)計思想，研究一種調(diào)諧方式簡單、調(diào)諧帶寬較寬的RBWO具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
[0009]因此，盡管人們已經(jīng)開始研究機(jī)械調(diào)頻RBW0，但很少見到成熟且簡單易行的方案。尤其是實現(xiàn)跨波段機(jī)械調(diào)頻的技術(shù)方案尚未有公開報導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:克服通常頻率RBWO調(diào)節(jié)方式復(fù)雜、調(diào)諧帶寬較窄的不足，設(shè)計一個跨波段機(jī)械調(diào)RBW0，且該微波源結(jié)構(gòu)緊湊、功率轉(zhuǎn)換效率高。
[0011]本發(fā)明的工作原理是:陰極產(chǎn)生的相對論電子束與由慢波結(jié)構(gòu)和內(nèi)導(dǎo)體決定的準(zhǔn)TEM模式或TMtll模式的電磁波進(jìn)行束波作用，產(chǎn)生跨L波段、S波段的GW級高功率微波輸出。通過改變內(nèi)導(dǎo)體的長度L5可調(diào)節(jié)輸出微波的工作頻率。
[0012]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0013]一種跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，包括陰極座401、陰極402、陽極外筒403、截止頸404、慢波結(jié)構(gòu)405、螺線管磁場409，所述陰極座401左端連接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，所述陽極外筒403左端連接脈沖功率源的外導(dǎo)體，所述陰極402固定在陰極座401右端，在陰極402右端設(shè)置截止頸404，所述慢波結(jié)構(gòu)405位于所述截止頸404的右側(cè)，在所述陽極外筒403外圍設(shè)置所述螺線管磁場409。所述跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器還包括內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407、微波輸出口 408 ;所述內(nèi)導(dǎo)體406為圓柱體，右端固定在所述收集極407上，左側(cè)沿軸向插入所述慢波結(jié)構(gòu)405中央，且與慢波結(jié)構(gòu)405同軸，通過調(diào)節(jié)所述內(nèi)導(dǎo)體406的長度，用于調(diào)節(jié)本發(fā)明輸出微波的頻率，實現(xiàn)跨波段微波輸出；所述收集極407為圓筒狀，位于慢波結(jié)構(gòu)405右側(cè)，其左端面挖有環(huán)形凹槽407a，環(huán)形凹槽407a的內(nèi)半徑Rltl和外半徑R11滿足R11 > R1 > R1Q，其中R1為所述陰極402的內(nèi)半徑；所述收集極407與陽極外筒403之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 408。
[0014]進(jìn)一步地，所述內(nèi)導(dǎo)體406與收集極407采用螺紋連接，內(nèi)導(dǎo)體406右端設(shè)置有外螺紋，收集極407左側(cè)設(shè)置有與所述外螺紋配合的內(nèi)螺紋。
[0015]進(jìn)一步地，所述慢波結(jié)構(gòu)405由五個慢波葉片組成,每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，所述梯形結(jié)構(gòu)的最大外半徑R4與最小內(nèi)半徑R5滿足R4 > R5 > R2，其中R2為所述截止頸404的內(nèi)半徑，梯形結(jié)構(gòu)的長度范圍為工作波長的0.40-0.60倍。
[0016]進(jìn)一步地，所述環(huán)形凹槽407a的長度范圍是工作波長的0.25-0.40倍。
[0017]進(jìn)一步地，所述收集極407通過支撐桿410固定在所述陽極外筒403的內(nèi)壁上。
[0018]進(jìn)一步地，所述支撐桿410共有兩排，第一排支撐桿410a位于距離慢波結(jié)構(gòu)405末端距離為L7的位置,滿足L7 > L6,其中L6為環(huán)形凹槽407a的長度；第二排支撐桿410b與第一排支撐桿410a之間的距尚L8為工作波長的0.20-0.30倍。
[0019]進(jìn)一步地，所述陰極座401、陰極402、陽極外筒403、截止頸404、慢波結(jié)構(gòu)405、內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407、微波輸出口 408、支撐桿410均為不銹鋼材料，螺線管磁場409采用漆包銅線。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明可達(dá)到以下技術(shù)效果:
[0021](I)波段跳變，通過調(diào)節(jié)內(nèi)導(dǎo)體長度L5，實現(xiàn)模式選擇與控制，使器件分別工作在同軸慢波結(jié)構(gòu)的基模(準(zhǔn)TEM模)和空心慢波結(jié)構(gòu)的基模(TMtll模)狀態(tài)，實現(xiàn)頻率在L、S波段之間跳變，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0022](2)調(diào)節(jié)方式簡單，只改變內(nèi)導(dǎo)體長度L5.[0023](3)波段內(nèi)頻率可調(diào)，在每個工作波段，通過微調(diào)導(dǎo)體長度L5，在L波段頻率調(diào)節(jié)帶寬約7%，在S波段頻率調(diào)節(jié)帶寬約2%。
[0024](4)利用慢波結(jié)構(gòu)基模(準(zhǔn)TEM模式)的截止頻率為O的特點(即對準(zhǔn)TEM模式不截止)，慢波葉片外半徑&可以取值較小，進(jìn)而縮小慢波結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，實現(xiàn)工作在L波段時的小型化。
[0025](5)收集極左端留有凹槽結(jié)構(gòu)，能夠增加器件末端反射，在梯形慢波結(jié)構(gòu)慢波葉片個數(shù)較少(5個)的情況下激勵起高效的單頻振蕩，縮短RBWO軸向長度和提高器件效率；凹槽結(jié)構(gòu)內(nèi)壁吸收殘余電子，減少了電子束直接轟擊收集極表面產(chǎn)生的二次電子，削弱了二次電子對器件工作過程的影響，有利于實現(xiàn)微波的長脈沖輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為現(xiàn)有技術(shù)I中公布的X波段機(jī)械調(diào)頻RBWO的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為現(xiàn)有技術(shù)2中公布的S波段頻率可調(diào)RBWO結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為現(xiàn)有技術(shù)3中公布的X波段機(jī)械調(diào)頻RBWO的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明中的跨波段機(jī)械調(diào)頻RBWO的原理示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明中的跨波段機(jī)械調(diào)頻RBWO的整體結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1為現(xiàn)有技術(shù)I中公布的機(jī)械調(diào)頻RBWO的結(jié)構(gòu)示意圖。為了敘述的方便，將沿軸線方向上靠近陰極座的一側(cè)稱為左端，遠(yuǎn)離陰極座的一側(cè)稱為右端。該結(jié)構(gòu)由陰極座101、陰極102、陽極外筒103、截止頸104、漂移段112、慢波結(jié)構(gòu)105、反射段113、微波輸出口 108、螺線管磁場109組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。雖然該論文公布了實驗結(jié)果，但只給出了結(jié)構(gòu)示意圖，沒有具體技 術(shù)方案，下面只是簡要介紹本結(jié)構(gòu)的大致連接關(guān)系。陰極座101左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒103左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極102是一個薄壁圓筒，圓筒壁的厚度僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座101右端。截止頸104呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 >札。截止頸104與慢波結(jié)構(gòu)105之間是漂移段112，是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)105由九個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)八個慢波葉片完全相同，左側(cè)慢波葉片的最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5與右側(cè)慢波葉片的最小內(nèi)半徑R8滿足R4 > R8 > R5。九個慢波葉片的長度相同，均為L1，為工作波長λ的二分之一左右。反射段113介于慢波結(jié)構(gòu)105與微波輸出口 108之間,是一個半徑為R4、長度為L3的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為1-可以調(diào)節(jié)頻率。微波輸出口 108是一個圓臺形結(jié)構(gòu)，圓臺左端面半徑為R4,右端面半徑為R6。截止頸104和慢波結(jié)構(gòu)105從陽極外筒103的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒103并固定。在器件運行時，陰極102產(chǎn)生的相對論電子束與慢波結(jié)構(gòu)105的基模(TMtll模式)的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生的高功率微波從微波輸出口 108輸出。實驗中，通過調(diào)節(jié)截止頸到慢波結(jié)構(gòu)的距離、慢波結(jié)構(gòu)到反射環(huán)的距離，得到了半功率點處頻率調(diào)諧帶寬約5%、中心頻率9.5GHz的結(jié)果。該方案通過同時調(diào)節(jié)漂移段112的長度L2、反射段113的長度L3實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍較窄。同時，采用了九個慢波葉片，導(dǎo)致軸向長度過長，不利于器件的小型化。
[0032]圖2為現(xiàn)有技術(shù)2中公布的頻率機(jī)械可調(diào)RBWO頻率結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)由陰極座201、陰極202、陽極外筒203、截止頸204、前置反射腔211、漂移段212、慢波結(jié)構(gòu)205、微波輸出口 208、螺線管磁場209組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。陰極座201左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒203左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極202是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座201右端。截止頸204呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 >札。前置反射腔211呈圓盤狀，內(nèi)半徑等于截止頸204內(nèi)半徑R2，外半徑R7滿足R7 > R2。漂移段212是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)205由八個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，左側(cè)三個慢波葉片完全相同，右側(cè)五個慢波葉片完全相同，左側(cè)慢波葉片的最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5與右側(cè)慢波葉片的最大外半徑R8、最小內(nèi)半徑R9滿足R8 > R4，R9 >R5。八個慢波葉片的長度相同，均為L1，為工作波長λ的二分之一左右。截止頸204、前置反射腔211、漂移段212和慢波結(jié)構(gòu)205從陽極外筒203的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒203并固定。慢波結(jié)構(gòu)205右端與陽極外筒203之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 208。在該RBffO運行中，陰極202產(chǎn)生的相對論電子束與慢波結(jié)構(gòu)205的基模(TMcn模式)的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生的高功率微波從微波輸出口 208輸出。實驗中，通過調(diào)節(jié)反射腔至慢波結(jié)構(gòu)距離的方式實現(xiàn)RBWO的頻率調(diào)諧。在外加電壓1MV、束流IOkA的條件下，獲得了半功率點處調(diào)諧帶寬約9%、中心頻率3.6GHz、微波功率2.5±0.6GW、效率20±4%的結(jié)果。該方案通過調(diào)節(jié)漂移段212的長度L2實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，慢波結(jié)構(gòu)205隨之前后移動，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍較窄。同時，采用了八個慢波葉片，導(dǎo)致軸向長度過長，不利于器件的小型化。
[0033]圖3為現(xiàn)有技術(shù)3中公布的X波段機(jī)械調(diào)頻RBWO頻率結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)由陰極座301、陰極302、陽極外筒303、截止頸304、前置反射腔311、漂移段312、慢波結(jié)構(gòu)305、微波輸出口 308、螺線管磁場309、提取腔314組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。陰極座301左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒303左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極302是一個薄壁圓筒，壁厚僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座301右端。截止頸304呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 > %。前置反射腔311呈圓盤狀，內(nèi)半徑等于截止頸304內(nèi)半徑R2，外半徑R7滿足R7 > R20漂移段312是一個半徑為R2、長度為L2的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L2可以調(diào)節(jié)頻率。慢波結(jié)構(gòu)5由六個相同的慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu),最大外半徑R4、最小內(nèi)半徑R5,長度為L1,為工作波長λ的二分之一左右。提取腔314介于慢波結(jié)構(gòu)305與微波輸出口 308之間，是一個半徑為R12、長度為L4的圓柱體，通過調(diào)節(jié)長度為L4可以調(diào)節(jié)頻率。提取腔314右端與陽極外筒303之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 308。截止頸304、前置反射腔311、漂移段312和慢波結(jié)構(gòu)305從陽極外筒303的右側(cè)沿軸向依次嵌入陽極外筒303并固定。在該RBWO運行中，陰極302產(chǎn)生的相對論電子束與慢波結(jié)構(gòu)305決定的最低階模式(TMtll模式)的電磁波進(jìn)行束波相互作用，產(chǎn)生的高功率微波從微波輸出口 308輸出。數(shù)值仿真中，通過改變反射腔至慢波結(jié)構(gòu)的距離、調(diào)整提取腔的寬度，得到了調(diào)諧帶寬約8%、中心頻率9.6GHz、功率效率約33%的結(jié)果。該方案通過同時調(diào)節(jié)漂移段312的長度L2、提取腔314的長度L4實現(xiàn)對工作頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)方式復(fù)雜，調(diào)節(jié)范圍窄。
[0034]圖4為本發(fā)明跨波段機(jī)械調(diào)RBWO的的原理示意圖(A-A剖視圖)，圖5為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明由陰極座401、陰極402、陽極外筒403、截止頸404、慢波結(jié)構(gòu)405、內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407、微波輸出口 408、螺線管磁場409和支撐桿410組成，整個結(jié)構(gòu)關(guān)于中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱。其中，陰極座401、陰極402、陽極外筒403、截止頸404、慢波結(jié)構(gòu)405、內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407、微波輸出口 408、支撐桿410均為不銹鋼材料，螺線管磁場409采用漆包銅線。陰極座401左端外接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，陽極外筒403左端外接脈沖功率源的外導(dǎo)體。陰極402是一個薄壁圓筒,壁厚僅為0.1mm,內(nèi)半徑R1等于電子束的半徑，套在陰極座401右端。截止頸404呈圓盤狀，內(nèi)半徑為R2, R2 >札。慢波結(jié)構(gòu)405由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)的最大外半徑R4與最小內(nèi)半徑R5滿足R4 > R5 > R2，梯形結(jié)構(gòu)的長度L1 一般取值為工作波長λ的0.40-0.60倍，在本實施例中L1為工作波長λ的二分之一。慢波葉片之間通過螺紋擰緊。截止頸404和慢波結(jié)構(gòu)405從陽極外筒403的右側(cè)，沿軸向、緊貼陽極外筒403的內(nèi)壁，依次嵌入陽極外筒403并固定。內(nèi)導(dǎo)體406是一個半徑為R3、長度為L5的圓柱體，長度為L5的變化對工作頻率會產(chǎn)生影響，通過調(diào)節(jié)長度L5，可以調(diào)節(jié)本發(fā)明輸出微波的頻率，實現(xiàn)跨波段微波輸出。內(nèi)導(dǎo)體406右端通過外螺紋與收集極407相連，左端沿軸向插入慢波結(jié)構(gòu)405中央，且與慢波結(jié)構(gòu)405同軸。收集極407為圓筒狀，左端面挖有環(huán)形凹槽407a，環(huán)形凹槽407a的內(nèi)半徑Rltl和外半徑R11根據(jù)陰極402的內(nèi)半徑R1來選取，滿足R11 > R1 > R10,環(huán)形凹槽407a的長度L6 —般取值為工作波長λ的0.25-0.40倍，在本實施例中L6為工作波長λ的三分之一。收集極407左端面的中心車出外半徑為R3的內(nèi)螺紋，與內(nèi)導(dǎo)體406右端的的外螺紋相連。支撐桿410共有兩排，第一排支撐桿410a放在距離慢波結(jié)構(gòu)405末端為L7的位置，L7 > L6 ;第二排支撐桿410b與第一排支撐桿410a之間的距離L8—般取值為工作波長λ的0.20-0.30倍，在本實施例中L8為工作波長λ的四分之一；采用兩排支撐桿410既增強(qiáng)了支撐強(qiáng)度，又可以消除輸出口對微波的反射。內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407由兩排支撐桿410支撐，從陽極外筒403的右端沿軸向嵌入陽極外筒403內(nèi)。其中，內(nèi)導(dǎo)體406、收集極407插入陽極外筒403中央且與陽極外筒403同軸，第一排支撐桿410a固定在距離慢波結(jié)構(gòu)405末端為L7的陽極外筒403的內(nèi)壁上。收集極407與陽極外筒403之間的圓環(huán)空間為微波輸出口 408。本發(fā)明運行時，陰極2產(chǎn)生的相對論電子束與由慢波結(jié)構(gòu)405和內(nèi)導(dǎo)體406決定的準(zhǔn)TEM模式或TM01模式的電磁波進(jìn)行束波作用，產(chǎn)生跨L波段、S波段的GW級高功率微波輸出。通過改變內(nèi)導(dǎo)體406的長度L5可調(diào)節(jié)輸出微波的工作頻率。
[0035]國防科技大學(xué)設(shè)計了跨波段機(jī)械調(diào)RBW0，僅通過調(diào)節(jié)內(nèi)導(dǎo)體長度，得到以下實驗結(jié)果:L波段，微波頻率1.58GHz，功率大于IGW ;S波段，微波頻率2.32GHz，功率大于500MW。(相應(yīng)的尺寸設(shè)計為=R1=SOmm, R2=36mm, R3=IOmm, R4=55mm, R5=38mm, R6=55mm, R1(l=28mm，Rn=34mm, 1^=95臟，L5=400mm, L6=63mm, L7=80mm, L8=47mm)。
【權(quán)利要求】
1.一種跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，包括陰極座(401)、陰極(402)、陽極外筒(403)、截止頸(404)、慢波結(jié)構(gòu)(405)、螺線管磁場(409)，所述陰極座(401)左端連接脈沖功率源的內(nèi)導(dǎo)體，所述陽極外筒(403)左端連接脈沖功率源的外導(dǎo)體，所述陰極(402)固定在陰極座(401)右端，在陰極(402)右端設(shè)置截止頸(404)，所述慢波結(jié)構(gòu)(405)位于所述截止頸(404)的右側(cè)，在所述陽極外筒(403)外圍設(shè)置所述螺線管磁場(409)，其特征在于:還包括內(nèi)導(dǎo)體(406)、收集極(407)、微波輸出口(408);所述內(nèi)導(dǎo)體(406)為圓柱體，右端固定在所述收集極(407)上，左側(cè)沿軸向插入所述慢波結(jié)構(gòu)(405)中央，且與慢波結(jié)構(gòu)(405)同軸，通過調(diào)節(jié)所述內(nèi)導(dǎo)體(406)的長度，用于調(diào)節(jié)本發(fā)明輸出微波的頻率，實現(xiàn)跨波段微波輸出；所述收集極(407)為圓筒狀，位于慢波結(jié)構(gòu)(405)右側(cè)，其左端面挖有環(huán)形凹槽(407a)，環(huán)形凹槽(407a)的內(nèi)半徑Rltl和外半徑R11滿足R11 > R1 > R1(l，其中R1為所述陰極(402)的內(nèi)半徑；所述收集極(407)與陽極外筒(403)之間的圓環(huán)空間為微波輸出口(408)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述內(nèi)導(dǎo)體(406)與收集極(407)采用螺紋連接，內(nèi)導(dǎo)體(406)右端設(shè)置有外螺紋，收集極(407)左側(cè)設(shè)置有與所述外螺紋配合的內(nèi)螺紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述慢波結(jié)構(gòu)(405)由五個慢波葉片組成，每個慢波葉片的內(nèi)表面均是梯形結(jié)構(gòu)，所述梯形結(jié)構(gòu)的最大外半徑R4與最小內(nèi)半徑R5滿足R4 > R5 > R2，其中R2為所述截止頸(404)的內(nèi)半徑，梯形結(jié)構(gòu)的長度范圍為工作波長的0.40-0.60倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述環(huán)形凹槽(407a)的長度范圍是工作波長的0.25-0.40倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述收集極(407)通過支撐桿(410)固定在所述陽極外筒(403)的內(nèi)壁上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述支撐桿(410)共有兩排，第一排支撐桿(410a)位于距離慢波結(jié)構(gòu)(405)末端距離為L7的位置，滿SL7 > L6，其中L6為環(huán)形凹槽(407a)的長度；第二排支撐桿(410b)與第一排支撐桿(410a)之間的距離L8為工作波長的0.20-0.30倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的跨波段機(jī)械調(diào)頻相對論返波振蕩器，其特征在于:所述陰極座(401)、陰極(402)、陽極外筒(403)、截止頸(404)、慢波結(jié)構(gòu)(405)、內(nèi)導(dǎo)體(406)、收集極(407)、微波輸出口(408)、支撐桿(410)均為不銹鋼材料，螺線管磁場(409)采用漆包銅線。
【文檔編號】H01J23/027GK103456587SQ201310411986
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】葛行軍, 張軍, 樊玉偉, 賀軍濤, 袁成衛(wèi), 李志強(qiáng), 張強(qiáng), 王海濤, 錢寶良, 鐘輝煌 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)